水蓄冷对光伏半导体制冷系统节能的影响

司闻哲，刘圣勇，远 方，鲁 杰，张 品，王 炯

(1.河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室，河南 郑州 450002；2.生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

水蓄冷对光伏半导体制冷系统节能的影响

司闻哲1,2，刘圣勇1,2，远 方1,2，鲁 杰1,2，张 品1,2，王 炯1,2

(1.河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室，河南 郑州 450002；2.生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

以冬季气象条件下的光伏发电系统和(25±0.5)℃的室温条件下的制冷系统以及蓄冷材料为研究对象进行试验，对比晴天和阴天的光照强度与电流、电压的关系、相同室温无负载的制冷温度曲线，研究了不同气象条件下，光伏发电系统和制冷系统的性能，并研究了蓄冷材料与负载的质量比为1∶2时，蓄冷材料对光伏半导体制冷系统的影响。研究结果表明，蓄冷材料的使用可以在光照充足时储存冷量，减少新加入负载时的运行时间；可以提高停止时间与运转时间比，减少1 d内的运行时间，实现降低系统能耗的目标，所测试的晴天和阴天的节能效率分别为8.5%、6.8%。

水蓄冷；光伏；半导体制冷；节能

太阳能作为一种清洁能源，具有能量丰富、分布广、可再生等特点[1]。半导体制冷工作过程无噪音、无震动、无磨损，并且体积小，制冷速度快，既可用于室内降温，也可以用于野外缺电少电环境的制冷需要[2～3]。利用太阳能光伏系统将太阳能转化为直流电可直接供给半导体制冷片进行制冷。这种制冷方式与以利用太阳能光热效应制冷的太阳能制冷装置相比，具有温度易于控制、可靠性高、稳定性好等优点[4]。代彦军等[2]提出了一种太阳能半导体冰箱并进行了试验研究与性能分析，所用的试验和分析方法可用于太阳能光伏驱动的热电制冷装置研究和开发，并提出进一步的分析和优化工作应从半导体制冷系统优化和光伏系统与制冷系统的匹配两方面开展。罗斌等[5]提出在模拟工况给定热导条件下存在最优的太阳辐射强度使得制冷系统制冷量最大。在给定的工况下，环境风速增加，使得系统工作电流朝靠近最佳工作电流数值方向增加。SUWIT等[6]通过试验测得一种半导体制冷箱和半导体制冷片的最大能效比分别为3.0和0.65。李国超等[7]对比了风冷、水冷、热管3种散热方式下制冷量和制冷系数的变化规律。程明福等[8]用单片机控制技术，实现了基于太阳能供电的半导体制冷。ASTRAIN等[9]提出通过优化热交换器可以提高半导体制冷片效率。卞之等[10]通过数值模拟和计算得出最大制冷系数及其对应的一系列参数对于确定制冷系统的最佳工作区间有重要作用。在太阳能半导体制冷系统中，由于太阳能不稳定，且半导体制冷效率较低。因此，系统需要降低能耗以供给在夜间和阴雨天等低光照或无光照时间运行，空调系统中合理加入蓄冷材料可以提高机组效率、减少设备容量[11]。若能将太阳能半导体制冷系统光照充足时系统产生的冷量适当地利用蓄冷材料储存起来，则可以提高系统的效率。王红晨等[12]提出一种利用KCl共晶盐作为蓄冷介质的太阳能半导体空调，使蓄冷技术能在送风温度低于0 ℃的场所得到应用。水蓄冷是一种较为经济的蓄冷方式，常用于空调蓄冷。

以水作为蓄冷材料放入制冷箱中，日光光照充分时，电能驱动制冷部件运转，将产生的电能转化为冷量储存在水中，既能避免强光照时负载过小、箱内温度很快被降至停止温度，因而制冷部件不运转、蓄电池过早被充满而导致的浪费，又可在遇到夜间无光照或阴雨天光照不足时，利用储存的冷量保持箱内温度，减少系统的耗电量。同时，可在加入负载时更快速地冷却降温。因此，作者研究了水蓄冷对太阳能半导体冰箱的节能效应，为半导体制冷系统的节能提供依据。

1 试验装置及方法

1.1 主要仪器及装置

试验装置由光伏发电组件、制冷器组件、控制器组件、蓄电池、数据收集组件、保温箱和蓄冷材料构成。

1.1.1 光伏发电组件 3块标称20 V/100 W的太阳能光伏板，每块板子配有支架。

1.1.2 制冷器组件 2块半导体制冷片、3个散热风扇、1个冷端散热片和1个热端散热片。制冷片为标称TEC-12704的碲化铋制冷片。散热风扇为标称12 V/0.25 A。其中，2个热端散热风扇，1个为冷端散热风扇。散热片为翅片式，材料为铝制。

1.1.3 蓄电池 1块12.6 V/100 Ah的3串锂电池。

1.1.4 数据收集组件 TES-1332A 数字式照度计，室温温度计(精度0.1 ℃)，秒表，功率表(含电压电流表)，指南针等。

1.1.5 控制器组件 12 V/24 V自适应太阳能控制器，电压精确度0.1 V，电流精确度0.1 A；数显制冷控制器，温度精度0.1 ℃。

1.1.6 保温箱 材料为聚氨酯泡沫塑料，厚度为4 cm，容积为28 L。

1.1.7 蓄冷材料 同一批次市售某品牌550 mL瓶装矿泉水。

1.2 半导体光伏制冷系统的工作原理

太阳能光伏板受阳光照射，一部分光子的能量被光伏板表面的半导体材料吸收，从而使电子受到激发而从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对[13]。这些电子和空穴聚集在PN结两端，形成电势差。电路接通形成回路后，会产生电流。电流流经太阳能控制器，由控制器内部程序将电压降至蓄电池和制冷系统的工作范围，并实现过载保护、稳压稳流、低压停充等功能。半导体制冷片通电后，由于帕尔帖效应一端变冷，制冷箱利用半导体制冷片的冷端降温达到对内部制冷的目的[14]。光照充足时，光伏板产生的电能被太阳能控制器降压后输出，可全部被用于制冷系统运行；光照不足时，制冷系统由蓄电池和光伏板共同供电运行。制冷系统达到目标温度停止工作时，制冷控制器切断供电，光伏板产生的电流被全部转化为化学能储存在蓄电池中。

1.3 测试方案

测试分为制冷装置光伏半导体制冷系统的发电性能测试、制冷性能测试、蓄冷材料对整体运行的性能影响测试。

1.3.1 光伏半导体发电性能测试 试验地点为河南农业大学机电工程学院。光伏板固定，朝向为正南方，与地面夹角30 °，测试时间2016年11月、12月。

分别选择典型晴天(温度-5～15 ℃)和阴天(温度-5～10 ℃)，测试从早晨到傍晚光照度高于1 000 lx时的变化情况以及光照强度与电流、电压的关系。每日光照度高于1 000 lx的时间随日期靠近冬至而缩短，且随每日气象条件有所不同，而所测试日期中晴天此时刻处于6:30—17:30之间，阴天处于7：00—17：00之间。

1.蓄电池；2.太阳能控制器；3.光伏板；4.制冷控制器；5.散热器；6.半导体制冷片；7.制冷箱；8.温度传感器；9.蓄冷盒。1.Storage cell; 2.Solar controller; 3.PV panel; 4.Refrigeration controller; 5.Radiator; 6.Thermoelectric cooler; 7.Refrigerating box;8.Temperature sensor; 9.Cold storage box.

测试方法：测试冬季日期相近的晴天和阴天朝向正南方与地面夹角30 °的光伏板在光照度大于1 000 lx的发电性能；测试同一天倾角为30°时，固定朝向与变朝向的光伏板的发电性能对比；测试正午光照度稳定时刻正南朝向同一光伏板与地面成不同倾角时的发电性能。测试时，使变角度的光伏板的长在地面的投影，与太阳光的入射方向在地面的投影垂直。

1.3.2 制冷性能测试 分为无负载测试和带负载测试。无负载测试时，打开箱门对箱内箱外各点用测温枪测温，达到与室温相同且稳定后关闭箱门开始测试。分别将室温控制在(29±0.5)、(27±0.5)、(25±0.5)℃。其测试时间为2016年8月、9月。

带负载测试时，控制室内温度分别在(29±0.5)、(27±0.5)、(25±0.5)℃。测试前，分别将作为负载的水放入水温为(29±0.2)、(27±0.2)、(25±0.2)℃的桶中，并控制桶内水温在(29±0.2)、(27±0.2、(25±0.2)℃之内，进行等温处理，利用测温枪测温，控制负载水温温差在0.5 ℃之内。

测试方法：将设备置于无阳光直射的阴暗处，使用蓄电池供电。无负载时，测定不同温度下制冷设备运转80 min制冷箱所达到的温度。带负载时，测试负载温度下降至8 ℃耗费的时间。在带负载测试中，制冷控制器设置的停止工作温度为8 ℃，温度比停止温度上升2 ℃时，系统会再次启动。这一过程由箱体内的温度传感器负责实现，当温度达到设定温度时，传感器的电信号会传给制冷控制器，制冷控制器根据设定控制电路的通断，从而实现对温度的控制。需要蓄冷时，将所需数量的水倒入蓄冷盒，使其与设备一同运转。不需要时，清空蓄冷盒里的水。

1.3.3 蓄冷材料对制冷系统的影响 测试时间为2016年11月、12月。选择4瓶水作为蓄冷材料，8瓶水作为负载，测试(25±0.5)℃室温下，将制冷系统与光伏发电系统连接时，蓄冷材料对整个系统性能的影响。4瓶水作为蓄冷材料时，倒入同一蓄冷盒中置于制冷片前紧贴箱体的正下方，并将制冷控制器的温度传感器埋于水下，密封水槽以防水分蒸发。

测试方法：晴天与阴天正午(11:30—12:30)分别用1～3块光伏板发电接入系统，使光伏板朝向南方，保持30 °倾角，监测制冷系统运行情况，测试能满足系统工作所能需要的光伏板的数量。接入光伏板后，运行制冷设备，分别测试蓄冷材料与负载比为1∶2时与无蓄冷材料时的运行周期。选择1∶2的原因在于，虽然蓄冷材料越多，蓄冷量越大，系统的整体节能性能越好，然而，水的密度很大，用过多的水作为蓄冷材料会占用大量容积，这会导致系统的可利用空间减少。得到平均耗电量后算出系统的节能效率。

2 光伏半导体制冷系统性能试验

2.1 光伏发电系统性能试验

日照的变化规律是晴朗天气早晨光照度连续上升，某一时刻(不固定，与天气、日期有关)开始在起伏中上升，接近正午时在最大值附近不停起伏，正午之后开始在起伏中下降，某一时刻开始连续下降。

多云天气及阴天受云层影响很大，充满随机性，整体来说平均光照度大幅低于晴天，随天空的云层厚度变化。

光伏系统的输出电流与光照度在一定范围内成正比(图2)。所测试的日期中，均未出现在电流上升到某一大小后不再上升，即电流没有达到输出最大值。

根据表2中的孔径尺寸加工试件，在试件的一面压装压铆螺母，从另一面拧对应尺寸的螺钉，与板件保持一定的间距。然后，使用万能试验机对样件进行压缩，如图5所示。试验机后台记录的最大压力就是压铆连接的推出力。

电流与光照度的关系可用以下公式表示：

k=Is/L

(1)

式中：L为光照度；Is为电流；k为光伏板特性常数，与光伏板本身有关。

图2 光照强度强弱对光伏板输出电流的影响Fig.2 Influence of illumination intensity on the output current of PV panels

图3显示了在保持30 °倾角时，光伏板固定朝南时与追踪太阳时的光照度对比。从图3可以看出，正午时随时刻改变角度的光伏板与固定的光伏板板表面光照度几乎相同(相差不超过1%)，由于电流与光照度是正比关系。因此，电流也几乎相同。在上午和下午时变化角度的光伏板输出电流明显较大，而早晨和傍晚时又趋于接近。光伏板板面与太阳光线垂直时，电流最大，正午时，可比保持30 °倾角的光伏板多产生10%的电流，可达到4.56 A。

图3 晴天与阴天光伏板表面光照度的变化Fig.3 Comparison of illumination intensity between sunny and cloudy days

2.2 制冷系统性能

2.2.1 无负载运行 室内条件下，同一制冷箱降温速率由功率和室温共同影响。对比室温分别为29.0、27.0、25.0 ℃时的温度下降曲线，由图4可以看出，开始时温度下降较快，随时间增加，降温速率越来越慢，这主要因为箱内温度与环境温差越大，降低温度越困难。工作一定时间后可达到一个温度不再下降。

对比温度为29.0、27.0 ℃时的温度曲线，在设备运行2～3 min时，由图4中的曲线斜率可以看出，29.0 ℃的负载降温速率高于27.0 ℃时，这是由于是蓄电池供电，所以2个不同时间输出电流和输出电压不可能完全一致，测试29.0 ℃时制冷片的制冷功率略高。

图4 不同室温下无负载降温曲线Fig.4 Non-loaded cooling curve at different temperature

2.2.2 带负载运行 将4瓶水倒入蓄冷盒，在室温(25±0.5)℃下，将温度传感器分别置于水中和空气中测温，测定温度下降至8 ℃的速率和停止工作后的回升速率，以选择合适的测温方法。将传感器置于空气中测温时，温度下降到8 ℃用时100 min，设备停止制冷后3 min温度回升至10 ℃，说明利用空气测温时空气温度虽然下降到8 ℃，水温并没有下降至8 ℃。将传感器置于水中测温时，温度下降至8 ℃用了202 min，温度回升至10 ℃用时60 min。由此可见，以空气测温法最低只能将空气降至8 ℃，因此要将负载降至同样温度是非常困难的，使用水测温法时可以将负载温度维持在所需要的温度，所以水测温法更合适。

从图5可以看出，放有蓄冷材料的情况下，负载冷却速率开始时较快，随时间不断下降；无蓄冷材料时，降温速率均匀，在缓慢中下降。与无蓄冷材料相比，在放有已冷却至8 ℃的蓄冷材料的冰箱中放入负载进行冷却，可缩短冷却时间。有蓄冷材料时，运转时间t1=296 min，无蓄冷材料时，运转时间t2=313 min，则时间缩短比率为5.4%。

制冷系统在第一次启动运转及新加入负载时，需要消耗较多的电能以使负载从较高温度降至低温，且耗电量随设定温度的降低而增加。以8～10 ℃为目标温度区间进行研究。设定温度在降到8 ℃时停止制冷，上升到10 ℃时开始制冷。该过程通过制冷控制器实现。即将制冷控制器的停止工作温度设定为8 ℃，启动温度比停止工作温度高2 ℃。当温度降至8 ℃时，制冷控制器接收到温度传感器传来的电信号，制冷控制器切断电源，制冷系统停止工作，系统内温度停止下降并逐渐开始上升；温度上升到10 ℃ 时，制冷控制器接收到温度传感器传来的电信号，系统开始工作，开始工作后温度依然会上升一段时间后才开始下降。因此，在储存温度要求严格的物品如某些药品时，启动温度应设置为低于区间最高温度0.5 ℃，以留出通电后温度的上升区间。

2.3 光伏半导体制冷系统整体性能实验

将制冷系统和光伏发电系统连接，分别接入1～3块光伏板，在不同光照强度下运行。

光伏板的输出电压为20.0～22.6 V之间，且与光照强度无明显的线性关系，连接控制器后输出电压被降至12 V。输出电流与未接控制器时一致。

工作时光伏板数量应符合以下公式：

(2)

式中，Is为单块光伏板充电电流；In为额定充电电流；m为光伏板数量。

与无蓄冷材料时相比，加入蓄冷材料后节能效率为：

(3)

式中，W0为无蓄冷材料时系统的耗电量(W0=∬I0dU0dt0，其中，t0为无蓄冷材料时1 d的制冷时间)；W1为有蓄冷材料时的耗电量(W1=∬I1dU1dt1其中，t1为有蓄冷材料时1 d的制冷时间)。

图5 蓄冷材料对温度变化的影响Fig.5 Effect of cold storage material on cooling curve

以温度下降至8 ℃停止工作时为起点，以再次停止工作为终点，从起点至终点为一个工作周期。因周期的起点不同，每日工作时间也不同。从图6和表1可以看出，蓄冷材料的加入延长了周期时间，增加了运转时间与停止时间比，从而缩短了1 d内的总运转时间。

图6 温度工作周期Fig.6 Temperature varying cycle

根据所测数据可得，设备的耗电量匀速增加，且每分钟平均耗电量为1.1 Wh。则晴天有蓄冷材料的时运行1 d耗电量为555.5 Wh，晴天无蓄冷材料的时运行1 d耗电量为607.2 Wh。则晴天设备的节能效率为8.5%。

光伏板固定朝向时，晴天1 d的发电量为581.4 Wh，改变朝向时发电量为614.7 Wh，发电量增加了5.4%。晴天设备运行时加入蓄冷材料不仅使设备效率提高，还使发电量大于耗电量，使得系统能够昼夜运转。

阴天有蓄冷材料的时1 d耗电量为572.0 Wh。

表1 蓄冷材料对温度工作周期的影响Table 1 The influence of cold storage material on the temperature cycle

阴天无蓄冷材料的时1 d耗电量为613.8 Wh，则阴天设备的节能效率为6.8%。

光伏板固定时阴天1 d的发电量为132.9 Wh，改变朝向时发电量为139.3 Wh，远低于维持1 d运转所需电能，其发电量增加了4.8%。

3 结论

通过试验分析了晴天和阴天在一天内不同时刻、光伏板朝向对光照强度的影响，得到了光伏板的发电与光照强度间的关系。分析得到了制冷系统在不同室温下的降温曲线，分析了蓄冷材料对降温速率和周期影响，从而得到了蓄冷材料对光伏半导体制冷系统的节能效果。

1)改变光伏板朝向可以提高发电量，晴天时增加了5.4%，阴天时增加了4.8%。

2)制冷系统独立运行时，使蓄冷材料在无负载时运转储存冷量，以1∶2比例加入8瓶水作为负载降温，制冷时间减少了5.4%。加入蓄冷材料可提高系统运行周期内停止时间与运转时间的比，从而减少运行时间，达到节能效果。

3)所测晴天的节能效率为8.5%，阴天的节能效率为6.8%。晴天加入蓄冷材料后运行，全天耗电量从高于维持运转所需电量降至可以满足全天运转电量，且有剩余，阴天发电量远低于运转所需。

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Energysavingperformenceofaphotovoltaicthermoelectricrefrigeratingsystemwithwaterascoldstoragematerial

SI Wenzhe1,2, LIU Shengyong1,2, YUAN Fang1,2, LU Jie1,2, ZHANG Pin1,2, WANG Jiong1,2

(1.Key Laboratory of New Material and Facilities for Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Henan Agricultural University ,Zhengzhou 450002, China; 2.Collaborative Innovation Center of Biomass Energy, Henan Province, Zhengzhou 450002, China)

This paper studies the photovoltaic system in winter and the cooling system and its cold storage material under the room temperature of (25±0.5) ℃.The experiment shows the relationship among illumination intensity, voltage and current in both sunny and cloudy days, and the temperature curve of cooling system with no load. Then the influence of cold storage material on thermoelectric refrigerator is measured when the ratio between quantity of material and load is 1 to 2. The result indicates that when the sunlight is enough, light energy can be converted to cold energy, which reduces the working time of putting the load in. It also increases the ratio of stopping time to working time by reducing the working hours in one day. As a result, the total energy consumption decreases. The energy saving rate is 8.5% on sunny days,and 6.8% on cloudy days.

water thermal storage; photovoltaic; thermoelectric refrigeration; energy saving

2017-03-10

河南省科技创新杰出人才计划(144200510015)；郑州市科技创新团队(131PCXTD588)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(162300410158)

司闻哲(1990-)，男，河南郑州人，硕士研究生，从事太阳能转换与利用技术的研究。

刘圣勇(1964-)，男，河南柘城人，教授、博士生导师。

1000-2340(2017)04-0530-06

TK511.3

A

(责任编辑：蒋国良)